第十一章核酸分解代谢与合成

第十一章核酸代谢主要内容核酸消化与吸收核酸的分解代谢

—核酸的分解，核苷酸的降解代谢核酸的合成代谢

—核苷酸的生物合成，核酸的生物合成第一节核酸的消化与吸收（核糖核酸酶，脱氧核糖核酸酶）（磷酸二酯酶）（磷酸单酯酶）1、核酸酶的定义及分类核酸酶是指作用于核酸的磷酸二酯键的酶依据底物不同分类DNA酶(deoxyribonuclease,DNase)：专一降解DNARNA酶(ribonuclease,RNase)：专一降解RNA非特异性核酸酶依据切割部位不同核酸内切酶：分为限制性核酸内切酶和非特异性限制性核酸内切酶。限制性内切酶：在细菌细胞内存在的一类能识别并水解外源双链DNA的核酸内切酶，可用于特异切割DNA，常作为工具酶。核酸外切酶：5´→3´或3´→5´核酸外切酶一、核酸酶（Nuclease）2、核酸酶的功能生物体内的核酸酶负责细胞内外催化核酸的降解参与DNA的合成与修复及RNA合成后的剪接等重要基因复制和基因表达过程负责清除多余的、结构和功能异常的核酸，同时也可以清除侵入细胞的外源性核酸在消化液中降解食物中的核酸以利吸收体外重组DNA技术中的重要工具酶外切核酸酶对核酸的水解位点5´

p

p

p

pOHB

p

p

p

p3´BBBBBBB牛脾磷酸二酯酶（5´端外切5得3）蛇毒磷酸二酯酶（3´端外切3得5）内切核酸酶对RNA的水解位点示意图5´

p

p

p

pOHPyPuPyPy1´

p

p

pGACU

p

p

pGA3´RNAaseIRNAaseIRNAaseT1RNAaseT1Pu

：嘌呤Py：嘧啶

二、核苷酸的生物学功能是构成核酸的基本单位

储存能量（ATP）

ATP--主要形式；GTP--蛋白质合成

UTP--糖原合成；CTP--磷脂合成参与代谢和生理调节（cAMP，cGMP）

组成辅酶（NAD+、FAD，NADP+,HS-CoA，）

活化中间代谢物--UDPG,CDP-DAG,SAM第二节核酸的分解代谢核酸的分解核苷酸的降解代谢核苷酸代谢动态一、核苷酸的降解代谢1、核苷酸的降解

生物体普遍存在的核苷酸酶可催化核苷酸的水解（2’,3’,5’）。特异性强的核苷酸酶只能水解3’-核苷酸或5’-核苷酸。催化核苷水解的酶有2类，即核苷磷酸化酶和核苷水解酶：Nsphosphorylase核苷+Pi⇔PuorPy+pentose-1-P（广泛）Nshydrolase核苷+H2O⇔PuorPy+pentose(植物和微生物中，只对核糖核苷起作用，对脱氧核糖核苷不作用）核苷酸及核苷分解

嘌呤的分解1、分解代谢不同生物嘌呤碱的分解能力不同，代谢产物也不同，人和猿类及一些排尿酸的动物（鸟类、某些爬行类和昆虫）嘌呤的代谢产物为尿酸。而其他生物可以分解嘌呤为多种不同产物。嘌呤碱的分解首先是在脱氨酶的作用下脱去氨基。脱氨作用可以在核苷酸或核苷水平上进行。动物组织中腺嘌呤脱氨酶含量极少，而腺嘌呤核苷

脱氨酶及腺嘌呤核苷酸脱氨酶的活性较高。鸟嘌呤脱

氨酶分布广，脱氨分解主要在该酶的

作用下进行。Ade和Gua脱氨基后分别生成次黄嘌呤和黄嘌呤，进一步代谢生成尿酸。

最终产物：尿酸关键酶：黄嘌呤氧化酶代谢抑制剂－别嘌呤醇。嘌呤的分解2、嘌呤代谢障碍导致的相关疾病——痛风痛风的机理：尿酸生成过量或尿酸排出过少。如：次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶（HGPRT）不完全缺乏促使嘌呤核苷酸过度生成

别嘌呤醇治疗痛风的机理：次黄嘌呤类似物，竞争性抑制黄嘌呤氧化酶；或转变为别嘌呤醇核苷酸，抑制嘌呤核苷酸从头合成

2、嘌呤的降解尿素和乙醛酸尿囊酸

尿囊素和CO2尿酸黄嘌呤嘌呤核苷酸三级水平的降解

尿酸[UricAcid]

合成嘌呤核苷酸的分解代谢主要在肝脏、小肠及肾脏中进行。生理情况下嘌呤合成与分解处于相对平衡状态，尿酸的生成与排泄也较恒定。正常人血浆中尿酸含量约0.12-0.36mM[2-6mg/dL]，男性平均0.27mM[4.5mg/dL]，女性平均0.21mM[3.5mg/dL]。体内核酸大量分解[白血病、恶性肿瘤等]或食入高嘌呤食物时，血中尿酸水平升高，超过0.48mM[8mg/dL]时，尿酸盐形成结晶，沉积于关节、软组织、软骨及肾等处导致关节炎、尿路结石及肾疾患--痛风症。黄嘌呤氧化酶催化次黄嘌呤和黄嘌呤氧化生产尿酸。酶为复合黄素酶，由两个相同的亚基组成，分子量260,000，每个亚基含一个FAD、一个钼原子和一个Fe4S4中心。反应要求分子氧作为电子受体，还原产物是H2O2，进入尿酸的氧来自水。底物与酶结合后，Mo(VI)被还原为Mo(IV)，电子经黄素、铁硫中心等传给O2，与氢离子生成H2O2，Mo(IV)氧化为Mo(VI)。痛风的尿酸钠晶体痛风的治疗治疗痛风的原则是：合理的饮食控制；充足的水分摄入；规律的生活制度；适当的体育活动；有效的药物治疗；定期的健康检查。•西医对痛风病的治疗，较为常用的抗痛风药物：秋水仙碱、别嘌呤醇、丙磺舒、苯溴马隆、消炎痛、布络芬、扶他林等。•中医对痛风的治疗。•饮食治疗[每日嘌呤摄入量不超过150mg]常见食物的嘌呤含量范围一、每100克食物嘌呤含量小于50毫克为低嘌呤的有：五谷类：米、麦、高梁、玉米、马铃薯、甘薯、面条、通心粉；蛋类：鸡蛋、鸭蛋、皮蛋；奶类：牛奶、乳酪、冰琪琳；饮料：汽水、巧克力、可可、咖啡、麦乳精、果汁、茶、蜂蜜、果冻；以及各种水果、蔬菜和油脂等。二、每100克食物中含50毫克—150毫克嘌呤的为中嘌呤：肉类：鸡肉、猪肉、牛肉、羊肉、鱼、虾、螃蟹；豆类：黑豆、绿豆、红豆、花豆、碗豆、菜豆、豆干、豆腐以及笋干、金针、银耳、花生、腰果、芝麻等。三、每100克食物中含150毫克--500毫克嘌呤的食物为高嘌呤：豆苗、黄豆芽、芦笋、菜花、紫菜、香菇、乌鱼、鲨鱼、鳕鱼、海鳗、动物肝、肾、肠等、蚌蛤、干贝／带鱼、扁鱼干、沙丁鱼、蛤蜊、牡蛎、链鱼、鸡汤、肉汤等。四、每100克食物中大于500毫克嘌呤：小鱼干、乌鱼皮、酵母粉等。不同生物嘌呤核苷酸的分解产物不同

3、嘧啶的降解NH3、CO2和β-丙氨酸β-脲基丙酸

二氢胸腺嘧啶二氢尿嘧啶胞嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶β-脲基异丁酸NH3，CO2和β-氨基异丁酸最终产物：β氨基酸、CO2、NH3

U、C……β-Ala、CO2、NH3

T…………β-氨基丁酸、CO2、NH3

不同生物嘧啶碱的分解过程也不一样，一般情况下含氨基的嘧啶要先水解脱去氨基，脱氨基也可以在核苷或核苷酸水平上进行。嘧啶的分解第三节核酸的合成代谢核苷酸的生物合成核酸的生物合成核苷酸食物核酸生物合成组织核酸NTP组织核酸某些辅酶活性中间物质cAMP与cGMP

核苷酸的代谢动态一、核苷酸的生物合成(一)核糖的来源与PRPP的生成(二)嘌呤核苷酸的生物合成(三)嘧啶核苷酸的生物合成（四）脱氧核糖核苷酸的合成核苷酸合成的基本途径从头途径（

denovosynthesis)利用核糖磷酸，某些氨基酸、CO2和NH3等简单物质为原料，经一系列酶促反应合成核苷酸的途径，又称“从无到有途径”。主要发生在肝脏、小肠、胸腺。补救途径

(或重新利用，salvagepathway)

利用体内游离的碱基或核苷经过比较简单的反应过程，合成核苷酸的途径。主要发生在脑和骨髓里（一）、核糖的来源与PRPP的生成活性磷酸核糖形式：磷酸核糖焦磷酸（PRPP）(二) 嘌呤核苷酸的从头合成14C标记的HCOOH和15N标记的不同氨基酸与鸽肝匀浆物共培养，得到Pu环各元素的来源，1950s由J.Buchanan和G.RobertGreenberg提出Hypoxanthinedenovosynthesis假说，并证明HypoxanthineNt是Ade-Nt及Gua-Nt合成的前体。(二) 嘌呤核苷酸的从头合成嘌呤核苷酸的从头合成途径是是体内嘌呤核苷酸合成的主要途径.合成部位肝是体内从头合成嘌呤核苷酸的主要器官，其次是小肠和胸腺，而脑、骨髓则无法进行此合成途径。合成发生在细胞质中原料：磷酸核糖、甘氨酸、天冬氨酸、谷氨酰胺、CO2及一碳单位合成特点：磷酸核糖为起始物，逐步加原料合成嘌呤环，形成重要中间产物IMP（次黄嘌呤核苷酸），再由它转变为AMP和GMP。(二) 嘌呤核苷酸的从头合成

1、反应式2、嘌呤中原子的来源

CO2天冬氨酸甲酰基（一碳单位）甘氨酸甲酰基（一碳单位）谷氨酰胺（酰胺基）【记忆】“竹竿”（Gly）立中央，“谷子”(Gln)下面长，二氧化碳“天”(Asp)上飘，“假仙”（甲酰）在两旁AMP+ATP2ADP腺苷激酶GMP+ATPGDP+ADP鸟苷激酶ATP+GDPADP+GTP鸟苷二磷酸激酶磷酸核糖IMP

GMPAMP嘌呤核苷酸的合成是在磷酸核糖基础上逐步合成嘌呤核苷酸。两个阶段：首先合成IMP，再由IMP转变成AMP与GMP。

嘌呤核苷酸是在一磷酸水平上合成的，在合成嘌呤核苷酸的过程中逐步合成嘌呤环。调节酶：磷酸核糖焦磷酸激酶、磷酸核糖酰氨氨基转移酶3、嘌呤核苷酸从头合成过程(AMP,GMP)

嘌呤核苷酸从头合成特点：1.嘌呤核苷酸是在磷酸核糖分子上逐步合成合成嘌呤环的。2.IMP的合成需6个ATP，7个高能磷酸键。AMP或GMP的合成又需1个ATP3.嘌呤核苷酸是在一磷酸水平上合成的，调节酶：磷酸核糖焦磷酸激酶、磷酸核糖酰氨氨基转移酶4.磷酸核糖酰胺转移酶催化的反应是嘌呤核苷酸合成的关键步骤，AMP与GMP能够协同抑制此酶的活性从头合成的调节调节方式：反馈调节和交叉调节R-5-PATPPRPP合成酶PRPP酰胺转移酶PRAIMP腺苷酸代琥珀酸AMPADPATPXMPGMPGDPGTP++_____IMP腺苷酸代琥珀酸XMPAMPADPATPGMPGDPGTPATPGTP__++（三）嘌呤核苷酸的补救合成途径利用体内游离的嘌呤或嘌呤核苷，经过简单的反应，合成嘌呤核苷酸的过程，称为补救合成（或重新利用）途径，脑、骨髓等只能进行补救合成。A+PRPPAMP+PPi腺嘌呤磷酸核糖转移酶G+PRPPGMP+PPi次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶AR+ATPAMP+ADP腺苷激酶1.腺嘌呤磷酸核糖转移酶(adeninephosphoribosyl

transferase,APRT)2.次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶(hypoxanthine-guaninephosphoribosyl

transferase,HGPRT)3.腺苷激酶(adenosinekinase)参与补救合成的酶腺嘌呤+

PRPPAMP+PPiAPRT次黄嘌呤+PRPPIMP+PPiHGPRT鸟嘌呤+

PRPPHGPRTGMP+PPi合成过程腺嘌呤核苷腺苷激酶ATPADPAMPAPRT：腺嘌呤磷酸核糖转移酶HGPRT：次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶补救合成的生理意义补救合成节省从头合成时的能量和一些氨基酸的消耗。体内某些组织器官，如脑、骨髓等只能进行补救合成。嘌呤核苷酸的相互转变IMPAMP腺苷酸代琥珀酸XMPGMPNH3腺苷酸脱氨酶鸟苷酸还原酶NADPH+H+NADP+NH3(四)嘧啶核苷酸的生物合成

1、嘧啶环的从头合成途径原料：磷酸核糖、天冬氨酸、谷氨酰胺、CO2部位：肝细胞胞液合成特点：用原料先合成嘧啶环，然后再与磷酸核糖连接生成嘧啶核苷酸嘧啶核苷酸的从头合成是指利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及二氧化碳等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成嘧啶核苷酸的途径。2、嘧啶核苷酸的从头合成嘧啶核苷酸的从头合成是指利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及二氧化碳等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成嘧啶核苷酸的途径。定义合成部位主要是肝细胞胞液合成原料：谷氨酰胺、天冬氨酸、CO2、磷酸核糖。

合成特点：用原料先合成嘧啶环，然后再与磷酸核糖连接生成嘧啶核苷酸2、嘧啶核苷酸的从头合成途径(UMP)

O||HN

|ON|R—5’-P

NH2|N

|ON|R—5’-PPPUDPUTP尿苷酸激酶二磷酸核苷激酶CTP合成酶ATPADPATPADP谷氨酸谷氨酰胺ADP+PiATPUMPCTPCTP的合成嘧啶从头合成的特点两个阶段：首先合成UMP，再由UMP转变成CTP与dTMP

胞嘧啶核苷酸的生成发生在三磷酸水平，由UTP转变为CTP先合成嘧啶环，再合成嘧啶核苷酸调节酶：磷酸核糖焦磷酸激酶（PRPP合成酶）、氨甲酰磷酸合成酶Ⅱ（CPSⅡ，位于细胞液中）---ATP+CO2+谷氨酰胺氨基甲酰磷酸UMP氨基甲酸天冬氨酸UTPCTP天冬氨酸嘌呤核苷酸ATP+5-磷酸核糖嘧啶核苷酸PRPP-从头合成的调节3、嘧啶核苷酸的补救合成嘧啶+

PRPP磷酸嘧啶核苷+PPi嘧啶磷酸核糖转移酶尿嘧啶核苷+ATP尿苷激酶UMP+ADP胸腺嘧啶核苷+ATP胸苷激酶TMP+ADP(五)脱氧核糖核苷酸的合成在核苷二磷酸水平上进行（N代表A、G、U、C等碱基）原料：NDP（dTMP的直接原料为dUMP）脱氧（还原）过程发生在二磷酸水平dTMP的生成发生在一磷酸水平，但脱氧（还原）过程仍然发生在二磷酸水平dNDP+ATP

激酶dNTP+ADP二磷酸脱氧核苷NDPdNDP二磷酸核糖核苷NADP+NADPH+H+核糖核苷酸还原酶，Mg2+还原型硫氧化还原蛋白-(SH)2氧化型硫氧化还原蛋白SS硫氧化还原蛋白还原酶（FAD）脱氧核苷酸的生成dTMP的合成(六）、核苷酸的抗代谢物嘌呤核苷酸抗代谢物主要是一些嘌呤、氨基酸或叶酸等的类似物。采用竞争性抑制或“以假乱真”等方式抑制合成代谢中的酶，干扰和阻断核苷酸的合成,从而进一步阻止核酸以及蛋白质的生物合成。肿瘤细胞的核酸与蛋白质代谢旺盛,因此抗代谢物可用于肿瘤的化疗。1、6巯基嘌呤（6MP）：次黄嘌呤（I）的类似物，抑制HGPRT及嘌呤核苷酸的补救合成。在体内可转变为6巯基嘌呤核苷酸，抑制嘌呤核苷酸的从头合成。2、5氟尿嘧啶（5FU）：胸腺嘧啶的类似物，抑制胸腺嘧啶核苷酸的合成。3、阿糖胞苷：胞苷的类似物，抑制dCDP的生成。4、氨甲蝶呤（MTX）：叶酸类似物，抑制四氢叶酸的合成，从而同时抑制嘌呤核苷酸和胸腺嘧啶核苷酸的从头合成5、氮杂丝氨酸：Gln类似物，同时抑制嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸的从头合成核苷酸的抗代谢物嘧啶类似物胸腺嘧啶(T)5-氟尿嘧啶(5-FU)改变了核糖结构的核苷类似物氨基酸类似物：抑制有谷氨酰胺参与的反应,干扰全程合成。叶酸类似物：抑制有一碳单位参与的反应PRPPPRA甘氨酰胺甲酰甘氨酰甲酰甘氨谷氨酰胺核苷酸胺核苷酸